TFT-LCD的发展及其特点

课程名称：光电显示基础任课教师:题目：TFT-LCD的发展及其特点TFT-LCD的发展及其特点摘要薄膜晶体管-液晶显示器(thinfilmliquidcrystaldisplay，TFT-LCD)已经成为新一代的主流显示器，被广泛应用于笔记本电脑、桌面显示器、液晶电视、移动显示终端等显示领域。由于TFT-LCD迅猛的发展，人们已经开发出具有低成本、高解析度、高亮度、宽视角以及低功耗等优势的产品。本文介绍了TFT-LCD的生产及发展概况；介绍了在复杂背景及低对比度条件下TFT-LCD表面缺陷检测的问题。1绪论TFT-LCD采用了两夹层间填充液晶分子的设计，不同于TN-LCD和STN-LCD，其左边夹层的电极改为了场效应晶体管（FET），右边夹层的电极改为了共通电极，在光源设计上，TFT的显示采用了“背透式”照射方式，光源照射时先通过右偏振片向左透出，借助液晶分子来传导光线。由于FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到下一次再被加电才能改变其排列方式。TFT-LCD采用有源矩阵驱动方式，具有没有简单矩阵扫描电极数的限制，可以实现多像素化；可以控制交调失真，对比度高；亮度高，响应时间快；可实现大型化和彩色化；可实现高可靠性和低成本的特点。随着TFT-LCD产业的不断发展和壮大，以TFT-LCD为代表的平板显示已替代CRT成为显示领域的主流。同时，TFT-LCD作为电子信息产业的支柱与核心基础，正以其辐射范围广、拉动效应显著等特点，极大地推动着新材料、新装备、智能化软件以及系统应用等领域的蓬勃发展。2发展历程2.1液晶发展历程1888年奥地利植物学家F.Reinitzer发现各向同性液体在观察从植物中分离精制出的胆甾醇苯甲酸酯的熔解行为时发现，将此化合物加热至145.5℃时，固体熔化并呈现出一种介于固相和液相之间的半熔融流动白色浊状液体，这种状态一直维持到温度升高至178.5℃时，才形成清澈的液体1889年德国物理学家O.Lehmann液晶在附有加装置的偏光显微镜下观察，发现此半熔融流动白色浊状液体化合物具有各向异性结晶所特有的双折射率之光学性质，即光学各向异性并将这种类似晶体的液体命名为液晶1922年G.Friedel液晶分类完成历史上最重要研究成果之一的液晶分类，即迄今一直被沿用的按液晶分子排列进行的分类:近晶相、向列相和胆甾相。1933年V.FreederickszFreedericksz转变研究了液晶在磁场（或电场）下的变形及其阈值，即所谓的Freedericksz转变，为后来液晶显示器的发明和广泛应用奠定了非常重要的理论基础。1963年Williams电光效应研究发现液晶在电场的作用下会产生Williams畴结构1968年美国RCA公司G.H.Heilmeir液晶显示诞生发现了液晶的动态散射（dynamicscattering，DS）效应，首次制成了静态图像液晶显示器，这标志着液晶显示的诞生随后日本的Sharp、Seiko、Casio等公司大量生产在美国公司成果的基础上，实现了液晶显示器产品的大量生产，并不断发展。2.2驱动发展历程主要经历了无源液晶显示（PM-LCD）到有源液晶显示（AM-LCD）的发展过程。1971年美国Lechner有源矩阵驱动液晶在解决了响应速度、占空比、对比度、灰度级等限制的同时，还实现了高品质彩色视频显示。1972年T.P.Broay提出a-Si:HTFT-LCD的构想表现出好的关态电流（<1pA）、好的开关比（>107）、客观的电子迁移率（0.5～1.0cm2/（V·s））以及好的稳定性等特点。薄膜材料化学配比失配或关态漏电流较大1980年S.W.Deppp-SiTFT达到了较高的电子迁移率。但由于该p-SiTFT采用了高温条件下的制备工艺，。仅适用于耐高温的衬底，而不能广泛应地用于廉价的玻璃基板上1982年T.Nishimura研究小组和A.Juliana提高了p-SiTFT的电子迁移率利用激光退火处理技术，进一步提高了p-SiTFT的电子迁移率（高达400cm2/（V·s）），并降低了阈值电压，实现了TFT性能的进一步优化。1990年，E.StuppLTp-SiTFT开发出高温多晶硅薄膜晶体管（HTp-SiTFT）器件；1991年，Seiko-Epson的Little等又制备出低温多晶硅薄膜晶体管（LTp-SiTFT）器件。制备过程中却涉及到高温条件下的工艺环节，且生产成本也较高现状:利用非晶硅或多晶硅材料制备而成的TFT-LCD具有分辨率高、色彩丰富、反应速度较快、对比度和亮度都较高、屏幕可视角度大、易实现大面积显示等一系列优点[14]，其中，由于a-Si:HTFT具有制作工艺简单、玻璃基板成本低等多突出的优点而备受关注，成为TFT-LCD中的主流技术。目前，a-Si:HTFT-LCD生产技术已被众多面板生产厂商所掌握，并进行大批量生产化。3TFT-LCD技术发展趋势就TFT-LCD技术未来的发展趋势而言，主要表现在低成本、高解析度、高亮度、宽视角以及低功耗等方面。3.1低成本玻璃基板是生产TFT-LCD的重要原材料，其成本约占TFT-LCD总成本的15%～18%TFT，但影响产品成本的关键部分是生产技术最为核心的光刻工艺，其中，最受人们关注的就是掩模版，其质量在很大程度上决定了TFT-LCD的品质，而其使用数量的减少可有效削减设备投资、缩短生产周期目前普遍采用的5掩模版或4掩模版光刻工艺，大大地缩减了TFT-LCD生产周期和生产成本。(图一为TFT制造过程中掩模版使用数量在相应减少变化图)近年来，三星以及LGD近年来，三星以及LGD等韩国企业在3掩模版光刻工艺的开发上取得了突破性进展，并已宣告实现量产，但由于3掩模版工艺技术难度大、良品率也较低，目前还在进一步的发展和完善中。从长远的发展来看，如果Inkjet（喷墨）打印技术取得突破，实现无掩模制造才是人们追求的终极目标。图一：TFT图一：TFT制造过程中掩模版使用数量在相应减少变化图3.2高解析度为实现大面积高解析度的液晶显示，通常需要采用低阻抗金属材料、高性能开关元件以及高精细加工技术等手段。除此之外，还有开发LTp-SiTFT技术这一途径。目前，已发表的p-SiTFT-LCD产品的解析度一般在200ppi左右。同a-SiTFT-LCD相比，LTp-SiTFT-LCD具有较小体积的薄膜晶体管及储存电容器，因此，它每一英寸具有更大的穿透区，从而造就了更亮的显示画面，且更省电。3.3高亮度可通过增强背光源的亮度来提高TFT-LCD显示画面的亮度。然而，在液晶显示器中，由于背光源发出的光线会受到偏光片、滤光片的吸收以及TFT阵列的遮挡（如图2所示）等因素影响，最终只有大约5%的光线透过显示屏得到有效利用。3.4宽视角可视角度是指刚好可以看到对比度CR≥10的画面时，视线与垂直屏幕的平面之间的夹角。随着TFT-LCD显示技术的不断发展，宽视角模式已成为业界追求的目标[。目前，主流的TFT-LCD宽视角技术有：TN+Film（宽视角补偿膜）技术、VA（VerticalAlignment，垂直取向）技术、IPS（面内开关）技术以及FFS（边缘场开关）等技术。3.5低功耗由于TFT-LCD是一种被动型显示器件，其本身并不发光，因此背光模组在整个显示系统中扮演着十分重要的角色[40]。然而，液晶显示器件总功耗的90%却贡献给了背光源，故降低液晶显示器件功耗最为有效的方法就是降低背光源的功耗。4TFT-LCD缺陷检测系统随着TFT-LCD技术的飞速发展，提升产品品质和降低成本成了行业追求的目标。而在降低成本方面最有效、最直接的方式是提高产品良品率。检测产品良率传统方法最早采用人工作业，这不仅工作量大，而且易受到检测人员主观因素的影响，故人工视觉检测越来越不能满足当今工业领域的要求。如何实现面板表面缺陷的高速自动检测以及成为TFT-LCD生产研究的重要课题之一。检测TFT-LCD表面缺陷的方法包括自动视觉检测法、电学参数检测法3种。为保证产品质量并降低生产成本,很多厂家和研究人员都在致力于自动视觉检测技术的研究。接下来介绍两种缺陷检测方法.4.1基于图像处理技术设计硬件系统图二：系统设计方案根据TFT-LCD的分辨率要求，调整CCD相机的工作距离到合适位置，将屏放在点灯夹具点亮，采集图像到图像处理工控机，通过检测体统得出该屏的缺陷结果，结果显示在用户界面。，本系统应用主流点灯，设计的治具可对不同尺寸的TFT屏进行亮，根据该规格的TFT-LCD屏系统设计了相应的检测参数且检测结果良好。工业摄像机按照横向1∶6、纵向1∶6进行取像，即图像的每一个像素的实际分辨率为18μm×18μm。系统采用的2900万像素工业相机，是目前机器视觉领域最好级别的，保证了更高的检测精度；应用3个线程同时工作（如图三），采集、检测、分析同时进行，将检测速度至少缩减到传统方法的一半，同时提高检测精度；对TFT-LCD屏进行缺陷检测，需要做详细的流程设计，检测算法主要分为3个步骤，首先面阵CCD相机采集TFT-LCD屏图像并提取图像的ＲOI区域，然后对图像进行预处理包括Gabor滤波、双阈值二值化、图像去噪、图像形态学，最后对缺陷进行分析统计如计算缺陷面积、形状、灰度、坐标、中心点等属性特征提取。在提取图像，图像滤波，分割图像之后，就可以对图像进行缺陷提取，达到检测的目的。4.4复杂背景下系统设计系统包括硬件系统和软件模块两部分,硬件系统包括载物导轨、高速线阵相机、辅助光源和计算机;软件模块对系统采集到的图像进行处理、检测、统计等操作,缺陷图像及检测结果通过软件的人机界面显示。此系统利用一维傅里叶变换和全尺寸小波变换对TFT-LCD表面缺陷图像进行处理,能够准确提取和标定缺陷区域,其算法识别率可达96%以上,通过对图像扫描时间的分析,系统也满足实时性的要求。实验结果表明,系统检测算法具有良好的实时性与鲁棒性。缺陷检测算法主要分为3部分:首先从计算机中读入图像并进入预处理,包括背景去除、对比度增强、图像分割,然后进行缺陷区域提取和噪声去除最后统计缺陷检测信息,最后对算法效率进行评价。五结语随着技术的不断发展，良品率不断提高，加上一些新技术的出现，TFT-LCD在响应时间、对比度、亮度、可视角度方面都有了很大的进步，拉大了与传统CRT显示器的差距。如今，大多数主流LCD显示器的响应时间都降低在50ms以下，这些都为LCD走向主流铺平了道路。

LCD的应用市场应该说是潜力巨大。LCD技术仍处在不断发展、完善的阶段，这又促使了LCD向前进一步发展。六致谢[1]光电显示技术，李文峰，顾洁，赵亚辉等著，清华大学出版社[2]TFT_LCD驱动技术的研究，杨虹，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2000年06月发表[3]TFT_LCD缺陷检测系统的研究，王新新，电子测量与仪器学报，2014年3月[4]TFT_LCD生产及发展概况，罗丽平，现代显示期刊，2013年03月发布[5]复杂背景下TFT-LCD表面缺陷检测系统的设计，朱光，电子测量与仪器学报2011年12月发表[6]LCDbrightnessdecayduetoparticulatecontaminationofbacklightunit，SanghoonKim，JournaloftheKoreanPhysicalSociety,2013,Vol.62(2)[7]AHierarchyPlanningModelforTFT-LCDProductionChain,HYPERLINK"/result.aspx?q=%e4%bd%